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向量的叉乘、右手螺旋定則及其在高中數學中的應用

更新時間:2023-11-05 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

以下所有公式中,加粗的字母表示向量(矢量),未加粗的字母表示數目(標量)。QQx物理好資源網(原物理ok網)

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在小學語文中,我們學習過向量的數目積(也叫“點乘”或“內積”)。明天,我來介紹一下高等物理中向量的向量積(也叫“叉乘”或“外積”)以及它在學校數學中的應用。QQx物理好資源網(原物理ok網)

一、向量的點乘(數目積)QQx物理好資源網(原物理ok網)

點乘的表示方式:a·bQQx物理好資源網(原物理ok網)

注意:向量a和b通過數目積運算得到的a·b是數目,而不再是向量!QQx物理好資源網(原物理ok網)

二、向量的叉乘(向量積)QQx物理好資源網(原物理ok網)

叉乘的表示方式:a×bQQx物理好資源網(原物理ok網)

注意:向量a和b通過向量積運算得到的a×b依然是向量安培力方向判斷,因而它具有大小(模)和方向!QQx物理好資源網(原物理ok網)

其中,向量c的方向按照手指螺旋定則(簡稱“右手定則”)來判定。具體地說:QQx物理好資源網(原物理ok網)

1.不僅手指大手指,讓左手食指方向(指根到指尖)與向量a的方向一致。QQx物理好資源網(原物理ok網)

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2.靠右手掌心方向轉動(轉動角度不超過180°),使左手食指方向與向量b的方向一致。QQx物理好資源網(原物理ok網)

3.手掌大手指方向即為向量c的方向。QQx物理好資源網(原物理ok網)

注意:向量的叉乘不滿足交換律!QQx物理好資源網(原物理ok網)

三、叉乘在高中數學中的應用QQx物理好資源網(原物理ok網)

(1)角速率ωQQx物理好資源網(原物理ok網)

r是位置矢量(簡稱“位矢”。在圓周運動中,r可理解為向量OP安培力方向判斷,其大小等于直徑r);v是質點P的線速率。QQx物理好資源網(原物理ok網)

公式:v=ω×rQQx物理好資源網(原物理ok網)

判定角速率ω的簡易方式:QQx物理好資源網(原物理ok網)

1.不僅手掌大手指,讓左手食指方向與質點的線速率v方向一致。QQx物理好資源網(原物理ok網)

2.彎曲這四根腳趾,“握住”質點的運動軌跡。QQx物理好資源網(原物理ok網)

3.手掌大手指方向即為角速率ω的方向。QQx物理好資源網(原物理ok網)

(2)轉矩MQQx物理好資源網(原物理ok網)

轉矩是能使物體轉動的數學量。在中學數學中,杠桿平衡的本質實際上就是扭力平衡。QQx物理好資源網(原物理ok網)

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r是位矢,表示轉軸Z到受力點P的向量OP;F是受力點P所受的力。QQx物理好資源網(原物理ok網)

公式:M=r×FQQx物理好資源網(原物理ok網)

杠桿平衡的條件QQx物理好資源網(原物理ok網)

上圖中的F1L1表示力F1對杠桿的扭矩M1的大小,它的位矢即為OA。按照向量叉乘的運算法則,|M1|=|OA×F1|=|OA|·|F1|·sinθ=F1L1,而L1就是小學數學中所學的力臂。QQx物理好資源網(原物理ok網)

注意:F1L1=F2L2只表示扭力M1與M2的大小相等。同時按照手指螺旋定則,易知扭力M1和M2的方向相反,因而杠桿所受的合轉矩M=M1+M2=0,杠桿處于平衡狀態。QQx物理好資源網(原物理ok網)

(3)磁感應硬度BQQx物理好資源網(原物理ok網)

大手指方向即為磁感應硬度B的方向QQx物理好資源網(原物理ok網)

大手指方向即為電壓I的方向QQx物理好資源網(原物理ok網)

在判定磁感應硬度B或電壓I時,左手螺旋定則也叫安培定則。關于B和I的具體公式叫“畢奧-薩伐爾定理”,在此就不詳盡介紹了。QQx物理好資源網(原物理ok網)

(4)安培力和洛侖茲力FQQx物理好資源網(原物理ok網)

按照右手定則可以判定安培力或洛侖茲力F、磁感應硬度B和電壓I兩者的方向。QQx物理好資源網(原物理ok網)

實際上,這兩者的嚴格物理關系要通過向量的叉乘來表示。但考慮到閱讀了本文的小學生很可能會搞暈,我就不介紹安培力和洛侖茲力的叉乘公式了。QQx物理好資源網(原物理ok網)

溫情提示:與力有關用右手,與力無關用左手。QQx物理好資源網(原物理ok網)

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